仿真技术在数字电子技术综合设计实验教学中的应用

潘学文　赵全友



仿真技术在数字电子技术综合设计实验教学中的应用

潘学文赵全友

（湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199）

为使学生高质量的完成数字电子技术综合设计实验项目，在实践过程中引入电路仿真软件Multisim辅助实践教学。本文以篮球竞赛24秒计时器综和设计实验进行实践教学，先进行电路仿真实验，利用仿真软件强大的仿真技术，帮助学生更好的理解电路原理和工作过程，观察实验现象，然后进行硬件电路搭建和测试。实践证明，此方法能提高实验效率，增强学生动手能力。

数字电子技术；24秒计时器；实验教学；Multisim仿真

1　引　言

数字电子技术实验是高校通信类专业的一门基础实践课程，它对于培养学生的工程实践能力和创新能力有着不可替代的作用。数字电子技术综合设计实验是考查学生综合知识和动手能力而设计的具有一定综合性和设计性的实验，能有效的检验教学效果，培养学生思考能力和动手能力[1,2]。

目前，大部分院校数字电子技术实验使用实验箱完成实验或是采用中小规模集成电路芯片和面包板进行实验[3]。对于简单的验证性实验，由于电路简单，只要熟悉相应的集成电路芯片引脚图和逻辑功能，电路搭建和测试过程都较容易完成。综合设计实验电路通常包含多个模块，电路综合性强，实验教学有一定难度，学生往往在规定的课时内较难完成实验[4]。文章以篮球竞赛24秒计时器实验教学为例，将Multisim仿真软件应用到实验教学中，并分析其教学效果。

2　仿真软件介绍

Multisim是NI（National Instrument）公司推出的一款EDA工具软件，主要用于电子线路仿真和设计。Multisim能进行电路图设计，模拟、数字、射频多功能仿真，能用于电子技术基础理论教学、电子技术技能培训和电子创新理论验证[5]。在模拟电路和数字电路仿真中，Multisim软件具有操作简单，使用方便等特点，使得越来越多的教育者更喜欢使用Multisim软件进行仿真，可以说Multisim软件在当前电子技术教学领域已得到了广泛的应用。

3　篮球竞赛24s计时器电路仿真实验

篮球竞赛24s计时器是个经典综合设计性实验，它覆盖了波形产生电路、计数器、显示译码电路、控制开关等方面，知识面广、工程性和实用性强，能跟生活实际联系起来，大部分学生做这个实验有很强的兴趣和积极性。教学过程中，先分析电路必要的组成，布置实验任务要求，给充足的时间让学生思考并完成方案设计；然后进行电路仿真实验，仿真前必须搞懂电路结构组成和工作原理。由于电路由多个模块组成，可分模块分别进行仿真实验，画出整体工作电路图进行电路仿真；最后再进行硬件电路搭建调试实验。下面从电路组成分析、电路仿真两个方面进行阐述。

3.1电路组成分析

经分析，篮球竞赛24s计时器电路主要由秒脉冲发生电路、递减计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路等模块组成，其组成框图如图1所示。因本实验对脉冲频率要求不是很高，可选用555定时器来产生秒脉冲。用555定时器构成多谐振荡器电路可产生脉冲，这部分内容上课时重点学习过，只要选用参数合理的电阻电容就能实现秒脉冲。递减计数器需采用具有递减功能的计数器集成电路芯片来完成，根据实验任务要求和电路需要，可采用两片74LS192来完成24进制递减计数器设计。计数器采取反馈置数方法和串行进位或并行进位实现。这部分内容可考查学生对任意计数器设计的掌握程度。

译码显示电路由共阴极译码器74LS48和共阴极七段数码管完成。该部分电路在数字系统显示电路中使用广泛，需熟练掌握这个电路的设计。控制电路设计是难点，利用拼凑法设计去完成启动、暂停、连续、清除等功能，能激发学生的思考和想象力，理解电路的逻辑控制。报警电路可由发光二极管和蜂鸣器报警实现。

图1.篮球竞赛24s计时器电路组成框图

3.2电路仿真

根据电路组成分析，可分别设计出模块电路，并使用Multisim软件对各模块电路搭建仿真。确定各模块电路逻辑功能都能实现，然后把各模块电路全连起来进行整体电路调试，构成的篮球竞赛24s计时器整体电路图如图2所示。电路开始仿真时需要手动进行复位，使得计数器停留在24。暂停/连续开关可以锁定555定时器产生的脉冲信号，以实现计数器暂停和计数功能，并且该开关还带有RS锁存器以消除机械开关抖动带来的不良影响，实践证明去抖动是有必要的。当计数到00时，停止计数并显示00，驱动二极管发光代表报警信息。

这个电路有一定的综合性，用到了较多的器件和芯片。学生初次使用仿真软件，若能通过学习和努力，独立画出电路进行仿真得到电路的逻辑功能，说明学生具备了一定的电路仿真能力，也起到了在综合设计性实验中融入仿真技术的目的。

4　硬件电路实验

仿真实验成功后进行硬件电路实验，实验采用面包板和元器件芯片搭建电路。由于对电路的组成、工作原理都已理解，也成功的进行了电路仿真，对电路的逻辑已熟练掌握，因此硬件电路实验开展起来也相对容易。学生初次搭建这样综合性电路时会碰到较多问题，过程会比较曲折，通常要折腾几个会回才能成功。在教学过程中有一点非常重要，需跟学生交代清楚：对于综合性的电路必须按模块进行电路搭建，然后进行电路级联调试，最后在对整体电路进行逻辑功能调试。例如，本电路首先搭建脉冲产生电路，然后搭建十分频电路，确认这部分电路功能没问题后，搭建计数器和显示电路，最后搭建开关电路、报警电路和对整体电路的逻辑功能进行调试。若想进一步对电路组装、焊接、调试，对有兴趣和基础较好的同学可以进行万能板的制作或者PCB制作，以完成一个高质量的综合设计性实验作品。

图2.篮球竞赛24s计时器电路原理图

5　结束语

实践证明，通过在数字电子技术综合设计实验教学中引入仿真技术，可以使得实验教学的质量和效率得到提高。学生通过仿真技术能够对电路结构、原理、工作过程有更深入的认识和理解，在做硬件电路实验时会事半功倍。调试过程中若电路的逻辑功能出现一些问题或故障，学生能做到心中有数，不会慌张，会寻找解决问题的方法，达到了实践教学的目的，增强了学生的动手能力和解决问题的能力。

[1]刘银萍,陈惠珊.“数字电子技术”实验教学改革的探讨[J],实验室研究与探索,2006,(8):981-983.

[2]张学成.数字电子技术实验改革与创新[J],实验室研究与探索,2011,(8):285-288.

[3]王彩凤,胡波,李卫兵. EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J],实验科学与技术,2011,(1):4-6.

[4]潘学文,赵全友,杨振南.Multisim仿真软件在电子技术实验教学中的应用及效果分析[J],湖南科技学院学报,2016, (5):40-43.

[5]张晓洁,腾乃祯.数字电子技术实验教学改革探讨[J],广西民族师范学院学报,2010,(3):145-147.

（责任编校：宫彦军）

2017－03－24

湖南省教改项目（湘教通〔2014〕247号）；湖南科技学院教改项目（湘科院[2014]29号）；湖南科技学院“通信工程专业综合改革试点”项目。

潘学文（1983－），男，湖南永州人，硕士，湖南科技学院讲师，主要从事通信工程专业的教学、研究和管理工作。

G642.0

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1673-2219（2017）10-0047-02